再生制動能量吸收利用培訓(xùn)講義

一、列車再生制動能量利用的意義軌道交通作為一種大運(yùn)量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演著越來越重要的角色，其列車運(yùn)行具有站間運(yùn)行距離短、運(yùn)行速度較高、起動及制動頻繁等特點(diǎn)。目前軌道交通普遍采用的VVVF動車組列車，其制動一般為電制動即（再生制動、電阻制動）和空氣制動兩級制動，運(yùn)行中以再生制動和電阻制動為主，空氣制動為輔。在列車運(yùn)行速度較高時，使用再生制動和電阻制動，當(dāng)列車減速到一定速度再生制動不起作用時，使用空氣制動。一般城市軌道交通制動能量可達(dá)到牽引能量的20～50％以上，部分再生制動的能量可以被線路上相鄰車輛和本車輔助用電吸收，如不能被吸收則轉(zhuǎn)換為車載電阻消耗或空氣制動機(jī)械消耗。傳統(tǒng)的列車電阻制動做法是將制動電阻裝設(shè)在車輛底部，當(dāng)再生電阻不再起作用時采用空氣制動。傳統(tǒng)的列車電阻制動產(chǎn)生的大量熱量散發(fā)在地鐵隧道內(nèi)，在大運(yùn)量、高密度的運(yùn)行條件下，使地鐵洞體的溫升加劇，提高了對通風(fēng)系統(tǒng)的要求。因此，上述列車制動方式存在的弊端主要體現(xiàn)在部分再生制動能量不能被相鄰車輛吸收，通過車輛上制動電阻發(fā)熱消耗或空氣制動消耗，浪費(fèi)了大量電能。二、再生制動能量吸收利用裝置1、工作原理再生制動能量吸收利用裝置的主要工作原理為，當(dāng)處于再生制動工況的列車產(chǎn)生的制動能量不能完全被其它車輛和本車的用電設(shè)備吸收時，牽引網(wǎng)電壓將很快上升，網(wǎng)壓上升到一定程度后，牽引變電所中設(shè)置的再生制動能量吸收裝置投入工作，吸收掉多余的再生電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)揮再生制動性能。2.再生制動能量吸收利用裝置類型為了將機(jī)車制動電能能夠充分吸收利用，世界各軌道交通發(fā)達(dá)的國家，都在積極探討制動能量的利用模式，主要包括電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型（包括逆變至中壓和逆變至低壓）等方式。（1）電阻耗能型電阻耗能型再生電能吸收裝置實(shí)質(zhì)就是將車輛上的制動電阻移至地面，主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。裝置主要由隔離開關(guān)柜、制動控制柜（IGBT斬波器）和制動電阻柜組成，通過直流開關(guān)柜掛接在牽引變電所直流母線上。電阻耗能型再生電能吸收裝置的主接線見下圖所示：

圖2-1電阻耗能型裝置接線示意圖優(yōu)點(diǎn)：控制簡單且直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；能夠降低隧道溫度、減少閘瓦制動對閘瓦的消耗和閘瓦制動粉塵、凈化隧道環(huán)境，而且國內(nèi)有比較成熟產(chǎn)品制造，價格較低。缺點(diǎn)：再生制動能量消耗在吸收電阻上集中發(fā)熱消耗，對再生能量不能有效利用；電阻散熱導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，由于發(fā)熱較高，需放置于地面，涉及到與地方規(guī)劃部門的協(xié)調(diào)征地問題。聲音刺耳，易引起周圍居民投訴。從技術(shù)發(fā)展角度，電阻耗能型電能吸收裝置不代表再生能量吸收技術(shù)的發(fā)展方向。（1）電阻耗能型裝置（2）電容儲能型電容儲能型再生電能吸收裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動、加速需要取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。裝置主要由IGBT充電器、儲能電容器和控制器構(gòu)成，電容器通過充電器掛接在牽引變電所直流母線上。電容儲能型制動能量吸收利用系統(tǒng)的接線見下圖所示：圖2-2電容儲能型系統(tǒng)接線示意圖電容儲能裝置具有儲能（儲存車輛再生能量）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）兩種工作模式，兩種工作模式可以相互切換。該裝置優(yōu)點(diǎn)：可減少或取消列車制動電阻的容量，有效利用了列車制動時再生能量，節(jié)能效益好；能夠穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓；該裝置為靜態(tài)電容儲能裝置，維護(hù)和元器件更換較為方便。該裝置的缺點(diǎn)：采用電容作為存儲介質(zhì)，一直存在壽命短的質(zhì)疑；容量小、造價高；國內(nèi)產(chǎn)品無應(yīng)用。(3）飛輪儲能型飛輪儲能型再生電能吸收裝置，通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動且再生能量能不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收。當(dāng)判斷變電所附近列車有再生能量需要吸收時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，儲存能量；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能。該產(chǎn)品除具有電能吸收功能外還具有穩(wěn)壓功能，通過設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)，可在牽引網(wǎng)電壓較高時吸收電能、在電壓較低時釋放電能，穩(wěn)定電壓。裝置主要由IGBT變流器（逆變和整流）、旋轉(zhuǎn)電機(jī)（飛輪）和控制器構(gòu)成。

飛輪儲能裝置的接線原理見下圖所示：

圖2-3飛輪儲能型系統(tǒng)接線示意圖該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)：該技術(shù)有效利用了列車制動時再生能量，具有節(jié)能效益；直接接在牽引網(wǎng)與回流軌間或變電所正負(fù)母線間，再生能量直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會造成影響；能夠穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓。該產(chǎn)品的缺點(diǎn)：飛輪畢竟是高速轉(zhuǎn)動機(jī)械產(chǎn)品，盡管采用了真空環(huán)境和特殊軸類制造技術(shù)，且廠家保證使用壽命可以到達(dá)20年，但目前沒有工程應(yīng)用的先例，難免擔(dān)心其使用壽命是否能滿足要求，維護(hù)維修是否方便。對于運(yùn)量較大的地鐵線路，目前的產(chǎn)品單體容量較小，不能滿足完全吸收列車再生能量的需要；若采用幾套裝置并聯(lián)工作的形式使容量滿足要求，將使設(shè)備價格將成倍增加。(4)逆變回饋型逆變回饋型再生電能吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上；當(dāng)再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。根據(jù)回饋路徑和電壓等級的不同，逆變回饋型方式又分為低壓逆變型（逆變至0.4kV）和中壓逆變型（逆變至10kV或35kV）兩類。1）低壓逆變型低壓逆變型再生電能吸收裝置逆變后的電能僅用于車站的低壓設(shè)備，制動能量不能被完全吸收，因此往往采用逆變+電阻混合型。主電路由電動隔離開關(guān)、線路接觸器、濾波裝置、IGBT電阻吸收裝置、IGBT逆變回饋裝置、隔離變壓器、電流和電壓傳感器，控制電源、微機(jī)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

其電氣主接線圖如下。

圖2-4逆變+電阻混合型系統(tǒng)接線示意圖該裝置的優(yōu)點(diǎn)：部分利用了列車再生制動能量，具有一定的節(jié)能作用；其能量直接回饋到車站AC0.4kV電網(wǎng)，不需要配置儲能元件。該裝置的缺點(diǎn)：技術(shù)上屬于電阻耗能型和全逆變型的過渡產(chǎn)品；受限于低壓側(cè)負(fù)荷容量，再生電能得不到充分利用；將電能逆變至低壓側(cè)，系統(tǒng)容量小，供電質(zhì)量易受影響。2）中壓逆變型中壓逆變型再生能量吸收裝置，將直流側(cè)的機(jī)車制動電能轉(zhuǎn)化為交流側(cè)電能送回中壓交流電網(wǎng)中。利用了35kV系統(tǒng)較大的供電系統(tǒng)負(fù)荷容量為支撐，提高列車再生制動能量的利用率，節(jié)能效果好。裝置的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括能饋?zhàn)儔浩?、雙向變流器柜、直流柜等。其主接線如下圖所示。圖2-5中壓逆變型系統(tǒng)接線示意圖該裝置的優(yōu)點(diǎn)：充分利用了列車再生制動能量，提高了再生制動能量的利用率，節(jié)能效果好；其能量直接回饋到中壓環(huán)